生物质炭对农田土壤磷有效性的影响研究进展

张登晓，高雅，介红彬，张文静，牛亚茹，王代长

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002;2.河南省地质环境规划设计院有限公司，河南 郑州 450000)

农业生产中需要大量的肥料投入保障人类发展对粮食的需求[1]。2019年中国农用化肥用量达到5 404万t[2]。肥料的过量施用在保证粮食增长的同时也带来了土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放等一系列问题[3-5]，对农业的可持续发展带来潜在威胁。因此，2015年以来，中国农业农村部接连发布《化肥使用量零增长行动方案》和《〈到2020年化肥使用量零增长行动方案〉推进落实方案》等文件，以实现化肥的减施增效，促进农业可持续发展。磷是作物生长所必需的营养元素之一，磷肥由于其原料的不可再生性而限制了农业的可持续发展[6]。磷肥施入土壤中易被黏土矿物或钙、铁、铝等矿物离子吸附并转化成稳定形态在土壤中蓄积，部分磷随地表径流进入环境[7]，导致磷肥当季利用率只有10%～25%，同时导致水体富营养化的加剧。因此，提高磷肥的利用效率，激发和优化土壤供磷潜能，实现农业生产的高效合理，对推动中国农业的可持续发展具有重要意义。

近年来，生物质炭在农业废弃物处理、作物增产、农田土壤固碳减排及土壤修复等应用中表现出优势，在土壤养分调节及提高养分利用率上具有重要的作用[8-9]。目前，生物质炭在农业生产中的研究主要集中在碳循环、氮循环和重金属固定等方面，主要涉及农田土壤温室气体排放、土壤污染修复以及农业生产中氮素的高效利用等[10-12]。生物质炭对土壤的调控机理研究主要在两个方面。第一，生物质炭自身的性能。生物质炭丰富的官能团和溶解态有机碳，影响土壤结构和生物特性[13]；生物质炭具有较高的孔隙结构和比表面积[14]，能够调控土壤矿物元素的固定和释放；生物质炭较高的pH值能够影响土壤微域酸碱性[15]；其较高的磷、钾等养分含量可直接释放到土壤中供作物吸收利用[9]；而且生物质炭具有高度芳香化的结构，能够在土壤中长期稳定存在，对土壤的调控具有长期性[16-17]。第二，生物质炭调控土壤物理化学和生物学性能。生物质炭施入土壤后能够提高土壤中有机质含量，促进土壤大团聚体的形成[18]，从而形成较好的土壤孔隙结构[19]，提高土壤保水保肥性能[20-21]，同时为土壤微生物的生存提供了较好的栖息环境，提高微生物量并改善微生物群落结构[22]，土壤微生物和酶活性的提高又进一步影响土壤碳、氮、磷等养分的循环过程[23]。

目前，生物质炭对土壤碳和氮的循环过程和机理研究较多，而对土壤磷素的调控及其机理研究相对较少。无论是生物质炭本身还是通过对土壤的调控，都有可能影响土壤中磷的保持和释放过程。KLOSS等[8]和DELUCA等[24]研究表明，生物质炭施到土壤中能够增加土壤有效磷含量；同时BIEDERMAN和HARPOLE[25]分析发现生物质炭能够增加作物对土壤磷的吸收量。因此，生物质炭在农田中的应用被认为是保持土壤磷持续供应和实现农业可持续生产的重要措施[26-27]。生物质炭还田可作为促进土壤磷循环的潜在途径[9]。张登晓等[28]研究发现，生物质炭施入土壤中有效磷含量平均增加64%，而目前生物质炭对土壤磷有效性的调节机理还不清楚。ALLER[29]通过统计分析得出，生物质炭中平均磷含量为8.3 g·kg-1，其中有效磷含量为2.6 g·kg-1。生物质炭施入后土壤增加的有效磷的量高于生物质炭自身含有的有效磷量，因此生物质炭对土壤有效磷含量的增加不仅来自生物质炭自身的直接释放，可能还包括稳定态磷的活化[30-31]。生物质炭生产过程中磷可转化为相对稳定的形态[9,16]，能够成为土壤速效磷的持续供应源，因此，生物质炭在农业生产中对磷有效性的调控具有长期持续性。

目前，应用生物质炭于农田土壤改良和肥力培育的基础机理研究，及其持效性和影响因素的研究已成为前沿科学问题[32-33]。对土壤磷素而言，生物质炭对土壤磷素的调控作用已得到大量研究证实。然而，生物质炭对土壤磷素有效性的调控受到土壤性质，包括有机质含量、pH、质地等，和生物质炭性质，包括原料、裂解温度等因素的影响[34-35]。因此，本研究综述了目前生物质炭对土壤磷素调控的研究进展，从生物质炭施入土壤后对磷素的吸附特性，对稳定态磷的活化，以及生物质炭对磷素调控的长期性及其影响因素等方面，阐述生物质炭对土壤磷素调控的机理，旨在为利用生物质炭为在农业生产中提高磷利用效率和肥料减施提供理论依据。

1 生物质炭对土壤磷有效性的调控机制

1.1 生物质炭对土壤磷素吸附特性的影响

外源磷肥施入土壤后一部分很快被土壤有机物质、土壤黏粒和矿物离子(Ca2+、Al3+和Fe3+等)等吸附，并进一步经化学固定作用转化成稳定形态而难以被农作物吸收利用，导致磷肥的利用效率相对较低。在酸性土壤中，磷酸根易被铁、铝氧化物或硅酸盐等固定，而石灰性土壤中大部分磷与钙离子结合形成沉淀物。因此，减少土壤对外源磷素的吸附固定或促进稳定态磷的活化，成为提高磷利用率和减少磷肥用量的途径。提高农田土壤中有机质含量可增加稳定态磷向有效态磷的转化，从而提高磷的利用效率[36-37]。一方面，土壤中的有机质可被微生物矿化分解而转化成无机磷；另一方面，土壤有机质带有的大量羟基、羧基等官能团，具有电负性，与磷酸根离子竞争固相表面的专性吸附位点，减少土壤对磷的吸附。不同农艺措施下土壤有机质含量、团聚体结构等性质不同，对磷酸根的结合方式或亲和力不同，从而影响磷的循环过程和磷肥利用效率。从这个角度看，由于生物质炭自身具有较强的吸附特性，及其通过对土壤空隙结构和土壤有机质性质的影响，因此生物质炭的施入可能通过影响土壤对磷素的吸附特性而调控土壤磷有效性(图1)。

生物质炭表面含有大量羧基、羟基、氨基等活性官能团并带有负电荷，施入土壤中使土壤离子交换量显著增加[38-39]，对Ca2+、Fe3+等阳基离子具有吸附效应，因此能够减少矿物离子对磷的吸附固定。另外，OMONDI等[40]研究发现生物质炭施入土壤中能够显著增加土壤团聚体结构的形成。ISLAM 等[41]进一步通过整合分析研究发现，生物质炭施入后平均提高土壤团聚体大小的16.4%。良好的团聚体结构能够促进土壤对磷素的保持，减少因径流等过程而产生的损失(图1)。而团聚体保护作用又是增加土壤固碳并减少有机质矿化的重要作用机制[42]。因此，生物质炭通过对土壤有机质分子结构及官能团电负性的持续影响，以及通过对土壤团聚体结构的促进而影响土壤对磷的吸附特性可能是其对磷调控的机制之一。

生物质炭对土壤团聚体结构及保水保肥性的作用在不同土壤和生物质炭条件下有很大的差异[34,41,43]。ZHANG等[26]和JIANG等[44]研究了酸性土壤中生物质炭的施入对外源磷素的吸附特性，发现生物质炭能够增加土壤对磷的保留，并且通过提高酸性土壤的pH而减少对磷的吸附，同时该效应在生物质炭类型间有差异。而目前在石灰性土壤中生物质炭处理对磷的吸附效应的影响缺少深入系统的研究。土壤中磷的吸附固定状况可通过吸附特征反映出来，包括磷在土壤中与黏土矿物、有机质和黏粒等的结合状况，同时表征土壤对外源输入磷的吸持能力和土壤原有磷的释放能力。因此，为了定量研究生物质炭施入土壤之后对磷的吸附机制，需要进行系统的等温吸附试验来探索生物质炭对土壤有效性的物理化学调节机制。

1.2 生物质炭对土壤稳定态磷的活化机制

农业生产中磷的调控既包括对外源施入磷利用效率的调节，也包括土壤中原有稳定态磷的活化。稳定态磷的活化在实现磷肥减施和环境保护的可持续农业应用中具有重要意义。土壤稳定态磷的活化研究目前主要通过两个方面，一是通过溶磷微生物的活化作用，二是通过根系分泌的有机酸等对稳定态磷的溶解。近年来，溶磷菌在土壤磷的活化研究中受到关注。土壤中的溶磷菌有很多种类，包括菌根属(Mycorrhiza)、曲霉属(Aspergiuus)和根霉属(Rhizopus)等真菌；链霉菌属(Streptomyces)等放线菌；欧文氏茜属(Erwinia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、土壤巧菌属(Agrobacterium)等细菌。土壤微生物对磷的活化一方面通过酶解作用，微生物产生的磷酸酶水解有机磷，并释放出作物可直接吸收利用的生物有效态磷[45]；另一方面，土壤微生物通过分泌有机酸等次生代谢产物，例如苹果酸、乳酸、柠檬酸等，可将磷酸铝和磷酸钙等沉淀态的磷直接溶解活化[46]，有机酸类物质也可与土壤中Ca2+、Fe3+和Al3+等矿物离子络合，从而减少磷的结合位点[47]。近年来，利用液相31P核磁共振(31P-NMR)技术，根据振动频率的不同能够检测出磷酸单酯、磷酸二酯(磷酯和DNA磷)、膦酸酯等有机磷形态，以及正磷酸盐、焦磷酸盐和多磷酸盐等无机磷形态[48]。JIN等[49]利用液态31P-NMR技术发现生物质炭施入增加了土壤中正磷酸盐和焦磷酸盐的含量。因此，利用31P-NMR技术在研究生物质炭处理下土壤磷素的形态变化及稳定性具有重要的作用。

生物质炭的施用显著影响土壤微生物群落结构及其活性。CHEN等[50]和 ZHENG等[51]报道了秸秆生物质炭施入酸性水稻田后土壤微生物量碳含量显著增加30%，并且该效应保持四年以上。ZHOU等[52]和JIN等[53]研究发现，生物质炭施入后降低了土壤qCO2，表明土壤微生物的活性也显著增强。因此对土壤磷来说，生物质炭可能通过增加土壤溶磷菌的丰度和活性而保持土壤有效磷的增加。微生物分泌的磷酸酶和葡萄糖脱氢酶等能够促进土壤中磷素的矿化和溶解，从而影响土壤中磷素的生物化学循环过程[54-55]。生物质炭施入土壤中能够促进真菌菌丝体的生长，同时通过改变具有溶磷功能细菌的活性而增加土壤中磷有效性[56]。部分微生物含有的磷饥饿诱导(psi)基因能够调控磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的合成，促进土壤有机磷的矿化[57]。其中，PhoD基因已经被鉴定为细菌中具有编码碱性磷酸酶的基因[58]。另外，生物质炭中矿物质成分的施入能够促进土壤微生物分泌有机酸类物质，促进稳定态磷的溶解[59]。为了挖掘其机制，POKHAREL等[23]和ZHANG等[12]通过整合分析的方法，统计了生物质炭施入后土壤微生物量和胞外酶活性的变化。结果显示，生物质炭显著提高了土壤微生物量碳的含量，并且土壤中与碳氮磷等养分循环相关的酶活性均显著增加。因此微生物对稳定态磷的溶解可能是生物质炭调控土壤磷有效性的关键过程之一。

另外，植物根系对土壤磷的活化也发挥着重要的作用，并且溶磷菌在土壤中的分布具有强烈的根际效应[60]。植物根系可产生并释放酸性磷酸酶和有机酸类小分子物质于根际土壤中，从而增加有机磷的矿化和沉淀态磷的溶解。LOU等[61]研究发现生物质炭中含有的部分生物活性有机分子具有植物根系的促生作用。而且生物质炭对土壤理化性质的改善能够为作物根系的生长提供良好的环境[62]，促进作物根系的生长[63]，因此生物质炭能够提高根系与土壤之间的相互作用。KOLTON等[64-65]通过高通量测序分析发现生物质炭施用后改变了作物根际微生物群落结构和并显著提高了产黄菌属(Flavobacterium)和拟杆菌门(Bacteroidetes)等微生物菌属的丰度，并且酚类和糖类化合物的代谢效率得到提高。MICKAN等[66]发现生物质炭与菌根真菌之间也存在显著交互作用。因此，生物质炭对土壤磷的活化可能存在生物质炭-微生物-作物根系三者之间的互作效应(图1)。

图1 生物质炭对土壤磷有效性的影响与根系-微生物-土壤协同效应模型Fig.1 Effect of biochar amendment on soil P availability and the synergistic effect model between root-microorganism-soil

2 生物质炭对土壤磷的长效调控及其影响因素

生物质炭在农业生产中的效应具有持续性。WANG等[16]指出，生物质炭一次施用后，连续6 a内稻田生态系统生产力及生态效益不断提升，利用自然再生资源的能力显著增强。LIANG等[67]对土壤磷的研究也发现，畜禽粪便直接施入土壤之后，有效磷的含量开始相对较高，随后几天内迅速降低，而生物质炭处理下一直保持较高的有效磷含量。该结论通过整合分析得到进一步证实并且具有普遍性，而且生物质炭一次性施入土壤两年以后有效磷含量依然显著增加[28]。生物质炭自身含有的磷主要为稳定态，在生物和非生物的作用下，这些稳定态磷元素能够被逐渐释放出来，持续为作物生长提供养分来源[68]。因此，生物质炭能够长期保持稳定态磷向有效态的转化[69]，为作物生长提供持续的磷来源。目前生物质炭对土壤磷有效性的长期调控作用及其机制不清楚，对生物质炭在农业生产中的应用具有一定的限制性。

生物质炭的原料和生产条件是影响其生态功能的重要因子[70]。不同原料生物质炭对土壤有效磷的效应值差别很大，范围在5%～180%[28]。BORNØ 等[71]研究发现，木炭由于其矿质离子含量较高而对磷具有显著吸附效应，而秸秆炭没有吸附效应。另外，随着裂解温度的升高，灰分中Ca2+、Mg2+等矿物离子的含量增加，在生物质炭碱性的环境中部分磷素转化为Ca-P或者Mg-P等稳定态而使其可利用性降低[72-74]。在不同类型土壤中生物质炭对磷吸附和活化效应也有不同表现。研究发现，偏中性的土壤中生物质炭对有效磷的增加幅度最大，且显著高于酸性或者碱性土壤[28]。这可能与不同土壤中磷的形态转化机制有关，酸性土壤中大量的Fe3+和 Al3+等矿物离子，以及碱性土壤中大量的Ca2+离子均易与磷结合而形成沉淀态[75]。因此，应用生物质炭在促进磷可持续利用的过程中需综合考虑生物质炭及土壤条件的限制。

3 结论与展望

生物质炭施入土壤能够增加磷素有效性，并且表现出持续效应。本文综述了生物质炭对土壤磷素有效性的调控过程及相关机理的研究进展。一方面，生物质炭自身包含大量磷素养分，可被释放到土壤中，而其良好的空隙结构和较大的比表面积表现出吸附性，对磷素的释放具有缓释效应，因此能够调控土壤磷素有效性。另一方面，生物质炭能够促进土壤团聚体结构的形成和提高土壤有机质含量等，可能通过改变土壤空隙结构和土壤颗粒表面电荷等影响对磷素的吸附与释放过程，从而调控土壤磷有效性。另外，生物质炭能够影响土壤生物性状并改善作物根系构型，因此可能通过对微生物和根际土壤性状的影响而对磷素的有效性表现出生物调控机制，包括微生物的解磷机制和作物根系的活化机制等，比如磷酸酶活性的变化、相关功能性基因丰度的变化、根系分泌有机酸的种类及数量的变化等。但同时生物质炭对土壤磷素的效应受到土壤性质(有机质含量、pH、质地等)和生物质炭性质(原料、裂解温度等)等因子的影响。

生物质炭对土壤磷循环影响的研究，需要结合吸附动力学和微生物学、植物营养学等，多角度系统性的探索其非生物与生物调控机制，阐明生物质炭对磷素的矿化、固定、迁移和吸收过程以及与相关功能微生物群落结构和活性之间的关系，构建生物质炭-土壤-微生物-根系之间协同作用模型。并且综合考虑不同性质的土壤和生物质炭等因素，探明在不同土壤条件下，生物质炭对土壤磷素养分调控的主导因子。另外，针对生物质炭对磷素调控的长期性，研究不同土壤条件下生物质炭的老化过程及其对土壤磷素调控机制的改变。在此基础上，针对不同的土壤条件开发相应的农业管理模式或炭基磷肥等产品，为合理利用生物质炭促进农田土壤养分高效利用和促进农业可持续发展提供理论和应用基础。